河曲露天煤礦內(nèi)排土場振動模擬試驗

韓 鵬，何 淵，徐占金，徐國俊，王 毅，劉麗珍

(山西煤炭進出口集團 河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500)

振動是一種常見的附帶效應(yīng)，常見于生產(chǎn)生活的各個環(huán)節(jié)，如交通工具對路基的振動加速度，機械設(shè)備正常工作對地面產(chǎn)生的振動荷載，爆破工作中由爆點向四周傳播的爆破地震波等[1-5]。振動作用帶來的損傷通過時間效應(yīng)的累積使巖土體的破壞逐漸發(fā)展[6]，有的工程最終引發(fā)振動災(zāi)害，露天礦山生產(chǎn)活動中的各個工序都會附帶產(chǎn)生振動作用[7]。所以研究露天礦山振動作用對邊坡穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。

學者們關(guān)于各種工程中振動作用的產(chǎn)生、傳播與影響方面的理論與試驗研究范圍廣泛。數(shù)值模擬模型在振動作用研究中具有較大優(yōu)勢，薛富春等[8]應(yīng)用了三維建模的方式，模擬了高速動車組與鐵路路基的振動作用響應(yīng)；李順波等[9]采用數(shù)值模擬研究了不同毫秒延時對產(chǎn)生爆破振動的影響，確定了12 ms延時對于降低爆破振動最為有利；邊坡的爆破響應(yīng)研究分析了高陡巖質(zhì)邊坡對爆破振動速度的放大效應(yīng)[10]。實驗室的振動臺試驗對于天然地震、爆破地震等的三維重現(xiàn)是完成振動相似模擬的技術(shù)保障，同時成果頗豐。特殊地質(zhì)構(gòu)造的邊坡在地震作用下的振動臺模擬試驗為邊坡的維護提供了技術(shù)依據(jù)；地下隧道對地震作用響應(yīng)的振動臺研究對隧道施工技術(shù)的指導性意義重大；尾礦庫邊坡的振動臺試驗?zāi)M揭示了尾礦庫在振動作用下的破壞機制；含軟弱夾層邊坡振動臺模擬試驗提出了爆破振動對其穩(wěn)定性的影響和相應(yīng)的安全判據(jù)。

露天礦山中振動作用特有的“短、頻、強”特點對邊坡的影響較大，本文以河曲舊縣露天煤礦內(nèi)排土場為研究對象，開展了振動作用下內(nèi)排土場穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

本文的工程背景為河曲舊縣露天煤礦內(nèi)排土場，該內(nèi)排土場的特點為排土場直接基底與底層臺階由碎石與土混合構(gòu)成，同時距坡腳50 m處有選煤廠建設(shè)施工工人板房且正常居住，距坡腳200 m為選煤廠設(shè)施，如圖1所示。為保證2處建筑的安全性，需對該內(nèi)排土場邊坡進行穩(wěn)定性研究。

圖1 排土場現(xiàn)狀Fig.1 Typical profile of dump

2 試驗設(shè)計

試驗采用相似模擬的方法建立排土場物理模型，采用振動臺為其施加不同頻率的振動作用，觀察排土場邊坡的振動作用響應(yīng)規(guī)律。針對排土場下層臺階與上層臺階的物料構(gòu)成上的差異性，以+1 004.0 m為界，上下層臺階的物料粒徑組成見表1和表2。

表1 +1 004.0 m以上相似模擬材料塊度級配Tab.1 Similar simulated material particle size grading above +1 004.0 m

表2 +1 004.0 m以下相似模擬材料塊度級配Tab.2 Similar simulated material particle size grading below +1004.0 m

采用不同振動頻率的振動作用，從10～40 Hz每隔5 Hz為1個試驗階段，每一試驗階段振動作用時間為2 min，試驗時間共14 min。

3 試驗現(xiàn)象與分析

排土場模型在不同振動頻率作用后的結(jié)果如圖2所示。

(1)由圖2(b)可知，在此過程中臺階表面標志物與側(cè)面位移標志層無明顯試驗現(xiàn)象發(fā)生，局部極輕微滑動，振動電動機的振動頻率為10 Hz時，試驗臺振動幅度較大，且振動過程肉眼可見。這個階段的特點是振動幅度大，試驗臺上下振動的加速度變化速率小，而這個范圍內(nèi)的加速度變化需要的能量小，并不足以影響到邊坡體模型內(nèi)部。

(2)由圖2(c)可知，在15 Hz的振動頻率作用下，25 s后第2級臺階邊坡面中部發(fā)生了1次極小規(guī)模的表面下滑，滑動物料粒徑1 mm以下，滑動距離7 cm，43 s后在距離右側(cè)邊緣30 cm處發(fā)生5 mm塊度顆粒滾落。

(3)由圖2(d)可知，模型側(cè)面第3層位移標志層發(fā)生1 cm的下沉，原因是上部排棄物沒有發(fā)生排棄階段的壓密作用，顆粒之間的還存在有間隙，在20 Hz頻率的振動作用下顆粒之間的間隙減小。同時，第3臺階與第4臺階坡面上發(fā)生輕微的整體下滑，并且第3臺階下滑程度更加明顯。

圖2 排土場模型在不同振動頻率作用后結(jié)果Fig.2 Results of the dump site model under different vibration frequencies

(4)由圖2(e)可知，排土場模型側(cè)面與之前狀態(tài)相比，第4臺階坡面繼續(xù)下沉，坡面角輕微減??；模型正面第2臺階與第3臺階兩端發(fā)生滑移，其中右側(cè)20 cm范圍坡面排棄物小范圍下滑，第3臺階的滑移距離較第2臺階長，為2 cm，第2臺階為1 cm，左側(cè)20 cm范圍第2臺階、第3臺階的滑移程度與右側(cè)相比更加輕微，滑移距離為0.5～1.0 cm，同時，在第1臺階有直徑約7 mm似圓狀顆粒從坡面中部滾落至底部。排土場模型側(cè)面位移標志層現(xiàn)象不明顯，正面四級臺階面上排棄物料均發(fā)生了下滑，并且有臺階面下沉的現(xiàn)象。通過比較標志物的位置，第2臺階的標志物位置下移最為明顯，其次是第3臺階，第1臺階標志物的位置變化最為輕微，但第1臺階坡面上有6處大塊度排棄物料滾落。同此次試驗開始時相比，第1臺階兩端的位移標志層厚度明顯變薄，能看到位移標志層下顯露出的大塊度排棄物料。由于第1臺階組成物料粒徑較大，振動頻率增大，使位移標志層中的粒徑小的物料流入了第1臺階內(nèi)部。

(5)由圖2(f)可知，30 Hz與之前的振動頻率相比，能量增量大，排土場模型的破壞程度較之前而言更加嚴重，第2、第3、第4級臺階坡面大范圍排棄物料滑動，速度在2 cm/s，較為緩慢。第2級臺階第4標志物首先發(fā)生滾動并滾動至第1臺階平盤，隨后第2標志物沿向右側(cè)傾斜的路徑滑動至第1臺階平盤，第2標志物沿坡面滑動至臺階面中部，第3臺階第3標志物所在位置滑動活動較第3臺階其余部分劇烈，可見標志物已開始向臺階坡面傾斜。此外觀察側(cè)面位移標志層與參照位置發(fā)現(xiàn)，二者發(fā)生了錯動，并且最大錯動距離同樣出現(xiàn)在第2臺階中部。由于25 Hz試驗階段標志層中的小粒徑物料流入第1臺階內(nèi)部，第1臺階的坡面位移標志產(chǎn)生明顯的平行錯動，近似與參照位置平行。

(6)由圖2(g)可知，排土場模型第3臺階平盤繼續(xù)向下傾斜，主要是由于臺階坡面上的排棄物料持續(xù)向下滑動，引起平盤傾斜，使平盤上的標志物在重力以及滑體的滑動作用下向下滑動，第2、第3、第4標志物滑動至坡面中上部，其中第3標志物在上一試驗階段結(jié)束時已經(jīng)出現(xiàn)了位置上的明顯變化，所以總體來說第3標志物的位置變動范圍最大。同時，邊坡模型的高度降低1.5 cm，位移標志層與參照位置出現(xiàn)錯動，最大值出現(xiàn)在第2臺階平盤位置，達到0.9 cm；其次是第3臺階平盤位置，錯動距離為0.6 cm，而第1臺階坡面由于粒徑塊度范圍大，第1臺階坡面上位移標志層隨振動繼續(xù)向坡體內(nèi)部滲透，而坡面與參照位置的距離變化0.3 cm。

(7)由圖2(h)可知，40 Hz振動頻率作用下，模型形成了“一坡到底”的形態(tài)，臺階形態(tài)基本全部破壞，由于第1臺階大塊度排棄物料占到了39.19%，邊坡體內(nèi)部摩擦力大，第1臺階的滑體規(guī)模與上層臺階相比較小，但由于振動和上層的擠壓，使碎石物料從第1臺階坡角處擠出，并在后方滑坡體的推動下向前滑動。

排土場模型第3臺階第2、第3標志物由原坡面中上部下滑至原第2臺階平盤位置，第2臺階第1標志物由平臺下滑至臺階面中部，且原第1臺階第2、第3標志物在后方滑體推動下向下方偏左方向滾動。在滑體覆蓋第1臺階大塊度碎石物料后，標志物隨著大塊度碎石層的滑動而滑動，并發(fā)生滾動。同時，位移標志層錯動量達到最大值，第1臺階由于發(fā)生坡腳大塊度顆粒擠出，臺階坡面位置與參照位置錯動量變化明顯。

4 結(jié)論

(1)低頻振動作用下邊坡表面物料運動方式以零星滾動為主，高頻振動作用下邊坡表面小顆粒物料大面積滑移，滑移體推動大顆粒物料運動。

(2)第2臺階首先對振動作用發(fā)出響應(yīng)，即第2臺階出現(xiàn)小規(guī)模錐形滑移現(xiàn)象的時間最早，且出現(xiàn)在20 Hz試驗階段。